CN101575083B - 微机械热电堆红外探测器 - Google Patents

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本发明涉及红外探测器领域，具体是一种微机械热电堆红外探测器。简化了制作工艺，提高了性能、成品率，制作步骤：①用LPCVD法在硅衬底双面淀积氮化硅薄膜；②光刻、刻蚀掉硅衬底正面的外围氮化硅薄膜；③用LPCVD法、光刻工艺制作若干两端分别位于氮化硅薄膜和硅衬底上的多晶硅条；④用溅射、光刻工艺制作若干同多晶硅条构成热电偶的铝条；⑤用PECVD法在硅衬底正面上淀积氧化硅薄膜；⑥用光刻工艺制作覆盖热电堆热结区的红外吸收层-碳化的光刻胶层；⑦用剥离工艺制作覆盖热电堆冷结区的金属反射层-金层；⑧将硅衬底背面腐蚀形成正四棱台状凹槽。本发明结构设计合理，制作工艺简单，探测器性能高，成品率高，易于实现，发展前景良好。

Description

微机械热电堆红外探测器
技术领域
本发明涉及红外探测器领域，具体是一种微机械热电堆红外探测器。
背景技术
目前，红外技术广泛应用于红外测温、红外报警、红外检测等民用领域，以及红外成像、红外制导、红外预警等军事领域；红外技术的核心是红外探测器。其中，属非制冷红外探测器的热电堆红外探测器由于具有较多的优势，应用极为广泛。随着MEMS微机电系统的发展，自20世纪80年代起，微机械热电堆红外探测器应运而生，且经过多年的研究、实践，已成功应用于民用领域、军事领域。
现有微机械热电堆红外探测器多采用氮化硅-氧化硅复合膜结构作为支撑热电堆结构的介质支撑膜，目的是想减小应力，但工艺上相对比较复杂；且现有微机械热电堆红外探测器一般将热电堆的热结区与冷结区皆做在硅衬底表面的氮化硅薄膜上，由于氮化硅薄膜有一定的绝热性，即使其厚度很薄，也在一定程度上阻挡了热电堆冷结区的热量传给硅衬底，但是氮化硅薄膜本身对红外辐射也有一定的吸收作用，因此，热电堆的冷结区也会吸收了一定的热量，这样就抑制了热电堆的热结区与冷结区温度差的增大，降低了探测器的探测灵敏度；另外，在硅衬底上制作构成热电堆的热电偶时，将热电偶对做于不同平面上，即需多次淀积氮化硅薄膜，不但工艺过程复杂，而且多次淀积氮化硅薄膜易引起的内应力，成品率低。
发明内容
本发明为了简化微机械热电堆红外探测器的制作工艺，并进一步提高探测器性能及生产成品率，提供了一种微机械热电堆红外探测器。
本发明是采用如下技术方案实现的：热电堆红外探测器，按照如下方法制得的：
①、在940℃温度条件下，调节反应气源的流量大小，用LPCVD法在双面抛光的p型高阻硅衬底的正面和背面分别淀积出低应力的氮化硅薄膜，无需经过高温退火；
②、利用光刻、刻蚀工艺去掉硅衬底正面的外围氮化硅薄膜，保留中央区域的氮化硅薄膜；
③、用LPCVD法在硅衬底正面中央区域氮化硅薄膜表面及外围硅衬底表面沉积多晶硅层，然后利用光刻、干法刻蚀工艺形成若干一端位于氮化硅薄膜上、另一端位于硅衬底上的多晶硅条；
④、在硅衬底正面中央区域氮化硅薄膜表面及外围硅衬底表面溅射一层铝，然后利用光刻工艺形成若干同多晶硅条处于同一平面、并分别一一对应与各多晶硅条构成热电偶的铝条，以及使各热电偶串联形成热电堆的铝条和实现热电堆输出的引线脚；热电堆的热结区位于硅衬底中央区域的氮化硅薄膜上，冷结区位于硅衬底上(即构成热电堆的各热电偶的热端位于硅衬底中央区域的氮化硅薄膜上，冷端位于硅衬底上)；
⑤、用PECVD法在硅衬底正面上淀积覆盖热电堆的氧化硅薄膜；
⑥、利用光刻工艺在步骤⑤所述氧化硅薄膜的中央区域将光刻胶经过曝光、显影形成吸收层图形，然后在高温条件下将光刻胶碳化，形成覆盖热电堆热结区的红外吸收层；
⑦、在步骤⑤所述氧化硅薄膜上红外吸收层的外围采用剥离工艺制作出覆盖热电堆冷结区的作为金属反射层的金层；
⑧、利用湿法腐蚀工艺对硅衬底背面进行腐蚀，腐蚀形成以硅衬底正面中央区域氮化硅薄膜为槽底的正四棱台状凹槽。
所述CVD法、光刻工艺、干法刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺、剥离工艺为现有成熟的半导体集成电路工艺和微机械制造工艺。
当有红外辐射照射到本发明所述热电堆红外探测器时，红外吸收层-碳化的光刻胶吸收热量，使得热电堆的热结区温度升高；由于：1、不同于以往将热电堆的热结区和冷结区全都淀积在氮化硅薄膜上的做法，将热电堆的冷结区直接做在硅衬底上，硅衬底是良好的散热材料，其热导率可比拟金属材料，借助硅材料良好的散热能力，热电堆冷结区的热量可以很快散失掉，能解决热电堆冷结区受氮化硅薄膜阻挡的热沉问题，而且根据赛贝克效应的原理，热电堆的输出的温差电动势一般仅与其热结区和冷结区的温度有关，至于中间串联其他材料，热电堆的赛贝克系数不受影响；2、热电堆的冷结区上方覆盖有金属反射层-金层，对红外辐射有反射作用，进而可以在一定程度上抑制了热电堆冷结区热量的吸收；3、热电堆的热结区上方覆盖有采用碳化的光刻胶层实现的红外吸收层，与单纯地以氧化硅薄膜作为红外吸收层相比，对红外辐射有较强的吸收作用，在一定程度上提高热电堆热结区热量的吸收，而且在实现碳化的光刻胶层时，其范围大小很容易控制，即容易控制红外吸收层区域的大小；4、在硅衬底背面腐蚀形成正四棱台状凹槽，使得硅衬底正面中央区域支撑热电堆热结区的氮化硅薄膜下方的硅衬底全部被腐蚀掉，阻止了热电堆热结区的热量传导到冷结区；共同实现了热电堆热结区与冷结区之间的良好“隔热”。因此，使得热电堆的热结区到冷结区的热传导缓慢，增强了塞贝克效应，使热电堆冷结区与热结区的温度差得到提高，因而进一步增大了热电堆的输出电压，提高了本发明所述探测器的灵敏度、响应率、以及探测率。另外，本发明利用成熟的半导体集成电路工艺和微机械制造工艺制造出低应力的氮化硅薄膜作为介质支撑膜，并将热电偶对做于该低应力氮化硅薄膜上，并处同一平面，与以往采用氧化硅薄膜和氮化硅薄膜交替生长成的复合膜作为介质支撑膜相比，不但避免了多次淀积薄膜而引起的内应力，而且仅采用低应力氮化硅薄膜，制作工艺简单，易于实现，进而提高了成品率。
本发明结构设计合理，制作工艺简单，探测器性能高，成品率高，易于实现，具有良好的发展前景。
附图说明
图1为本发明所述热电堆红外探测器的加工工序示意图；图中以a-b-c-d-e-f-g-h为顺序；
图2为图1b的俯视图；
图3为图1c的俯视图；
图4为图1d的俯视图；
图5为图1h的仰视图；
图中：1-硅衬底；2、3-氮化硅薄膜；4-多晶硅条；5、6-铝条；7-引线脚；8-氧化硅薄膜；9-红外吸收层；10-金属反射层；11-正四棱台状凹槽；12-热电堆热结区；13-热电堆冷结区。
具体实施方式
热电堆红外探测器，按照如下方法制得的：
①、在940℃温度条件下，调节反应气源的流量大小，用LPCVD法在双面抛光的p型高阻硅衬底1的正面和背面分别淀积出低应力的氮化硅薄膜2、3，无需经过高温退火；见图1a所示；
②、利用光刻、刻蚀工艺去掉硅衬底1正面的外围氮化硅薄膜，保留中央区域的氮化硅薄膜2；见图1b、2所示；
③、用LPCVD法在硅衬底1正面中央区域氮化硅薄膜2表面及外围硅衬底表面沉积多晶硅层，然后利用光刻、干法刻蚀工艺形成若干一端位于氮化硅薄膜2上、另一端位于硅衬底1上的多晶硅条4；见图1c、3所示；
④、在硅衬底1正面中央区域氮化硅薄膜1表面及外围硅衬底表面溅射一层铝，然后利用光刻工艺形成若干同多晶硅条4处于同一平面、并分别一一对应与各多晶硅条4构成热电偶的铝条5，以及使各热电偶串联形成热电堆的铝条6和实现热电堆输出的引线脚7；热电堆的热结区12位于硅衬底1中央区域的氮化硅薄膜2上，冷结区13位于硅衬底1上(即构成热电堆的各热电偶的热端位于硅衬底中央区域的氮化硅薄膜上，冷端位于硅衬底上)；见图1d、4所示；
⑤、用PECVD法在硅衬底1正面上淀积覆盖热电堆的氧化硅薄膜8；见图1e所示；
⑥、利用光刻工艺在步骤⑤所述氧化硅薄膜8的中央区域将光刻胶经过曝光、显影形成吸收层图形，然后在高温条件下将光刻胶碳化，形成覆盖热电堆热结区的红外吸收层9；见图1f；
⑦、在步骤⑤所述氧化硅薄膜8上红外吸收层9的外围采用剥离工艺制作出覆盖热电堆冷结区13的作为金属反射层10的金层；见图1g；
⑧、利用湿法腐蚀工艺对硅衬底1背面进行腐蚀，腐蚀形成以硅衬底1正面中央区域氮化硅薄膜2为槽底的正四棱台状凹槽11。见图1h、5所示；
具体实施时，氮化硅薄膜2、3的厚度和氧化硅薄膜8的厚度不能太厚，避免热传导引起的热量损失和薄膜本身应力的增大，因此，氮化硅薄膜2、3的厚度取2500-5000埃，氧化硅薄膜8的厚度取1000-2000埃，且氮化硅薄膜2、3和氧化硅薄膜8的热应力要尽可能的小；金属反射层10-金层的厚度取700-1000埃，金属反射层10的厚度在该范围内就可以阻挡入射的红外辐射，没有必要做的太厚；红外吸收层9-碳化的光刻胶层的厚度根据常规所涂光刻胶的剂量和转速来确定，取1微米即可。

Claims (2)

1.一种微机械热电堆红外探测器，其特征在于按照如下方法制得的：
①、在940℃温度条件下，用LPCVD法在双面抛光的p型高阻硅衬底(1)的正面和背面分别淀积出氮化硅薄膜，无需经过高温退火；
②、利用光刻、刻蚀工艺去掉硅衬底(1)正面的外围氮化硅薄膜，保留正面中央区域氮化硅薄膜(2)；
③、用LPCVD法在硅衬底(1)正面中央区域氮化硅薄膜(2)表面及外围硅衬底表面沉积多晶硅层，然后利用光刻、干法刻蚀工艺形成若干一端位于正面中央区域氮化硅薄膜(2)上、另一端位于硅衬底(1)上的多晶硅条(4)；
④、在硅衬底(1)正面中央区域氮化硅薄膜(2)表面及外围硅衬底表面溅射一层铝，然后利用光刻工艺形成若干同多晶硅条(4)处于同一平面、并分别一一对应与各多晶硅条(4)构成热电偶的铝条(5)，以及使各热电偶串联形成热电堆的铝条(6)和实现热电堆输出的引线脚(7)；热电堆的热结区(12)位于硅衬底(1)正面中央区域氮化硅薄膜(2)上，冷结区(13)位于硅衬底(1)上；
⑤、用PECVD法在硅衬底(1)正面上淀积覆盖热电堆的氧化硅薄膜(8)；
⑥、利用光刻工艺在步骤⑤所述氧化硅薄膜(8)的中央区域将光刻胶经过曝光、显影形成吸收层图形，然后在高温条件下将光刻胶碳化，形成覆盖热电堆热结区(12)的红外吸收层(9)；
⑦、在步骤⑥所述氧化硅薄膜(8)上红外吸收层(9)的外围采用剥离工艺制作出覆盖热电堆冷结区(13)的作为金属反射层(10)的金层；
⑧、利用湿法腐蚀工艺对硅衬底(1)背面进行腐蚀，腐蚀形成以硅衬底(1)正面中央区域氮化硅薄膜(2)为槽底的正四棱台状凹槽(11)。
2.根据权利要求1所述的微机械热电堆红外探测器，其特征在于：氮化硅薄膜的厚度取2500-5000埃，氧化硅薄膜(8)的厚度取1000-2000埃；金属反射层(10)-金层的厚度取700-1000埃；红外吸收层(9)-碳化的光刻胶层的厚度取1微米。
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